成果頻現！中科大發布郭光燦院士團隊近期科研成果

硅基自旋量子比特操控優化的新方法

郭光燦院士團隊在硅基自旋量子比特操控研究中取得重要進展。該團隊對集成微磁體的硅基量子點進行研究，發現了自旋量子比特操控的各向異性：通過改變外加磁場與硅片晶向的相對方向，可以將自旋量子比特的操控速率、退相干速率和可尋址性進行同時優化。該研究成果發表在《Physical Review Applied》上。

硅基自旋量子比特以其超長的量子退相干時間，以及與現代半導體工藝技術兼容的高可擴展性，成爲量子計算研究的核心方向之一。

研究人員發現，當施加的面內磁場到達某一特定角度時，操控速率可以保持較高的水平而電荷噪聲引起的退相干被大大抑制，而量子比特的尋址特性又被維持在一個較高的水平。這一特點說明通過旋轉磁場方向，硅基自旋量子比特的操控速率、退相干時間和可尋址性得到同時優化。研究人員同時發現，在旋轉磁場的過程中，面內橫向磁場梯度起到了不可忽視的作用，這也暗示了旋轉磁場方向對研究含有微磁體的自旋軌道耦合——合成自旋軌道耦合的豐富物理內涵具有重要意義。

該工作得到了審稿人的高度評價：“能夠理解並且預測微磁體器件的最優工作點是非常有用的，這些結果對這個領域來說是非常有價值的貢獻”。

圖. 利用磁場的各向異性優化硅基半導體自旋量子比特操控示意圖。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74912.htm

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.044042

在光力體系中通過耗散調控增強邊帶冷卻

郭光燦院士團隊在光力混合系統中通過級聯光子-聲子耦合實現了對於光力相互作用的耗散調控，並增強了光力體系的冷卻效果，該研究成果發表在《Physical Review Letters》。

利用腔增強的光與物質的相干相互作用可以得到許多新穎的光子器件。混合系統兼具不同體系的優勢，因此在量子界面、基礎物理、非線性光學等領域發揮着越來越重要的作用。在混合系統中，如何有效地控制相干耦合，包括增強或抑制某些特定的物理過程，仍然是一個挑戰。

針對腔光力混合系統，研究組利用耗散調控實現了對於光子-聲子相干相互作用這一物理過程的有效控制，從而增強了激光冷卻機械振子的效果。實驗中首先通過布里淵散射過程將輔助高頻聲子與目標光學模式耦合，實現對光學模式線寬的有效調節，調節範圍超過一個數量級。實驗結果不僅展示了光力系統中的級聯非線性耦合，還驗證了混合系統中控制光與物質相干相互作用的新方法。同時，該方案可以拓展至其它光學非線性效應，比如控制非線性倍頻過程或抑制拉曼激光。

圖注：a-b.腔光力系統中級聯光子-聲子耦合與耗散調控；c-d.光學模式有效線寬調控結果。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74910.htm

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.163604

中國科大將光存儲時間提升至1小時

郭光燦院士團隊在光量子存儲領域取得重要突破。該團隊李傳鋒、周宗權研究組將相干光的存儲時間提升至1小時，大幅度刷新了2013年德國團隊光存儲1分鐘的世界紀錄，向實現量子U盤邁出重要一步。該成果4月22日發表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

光的存儲在量子通信領域尤其重要，這是因爲基於光量子存儲可以構建量子中繼，從而克服信道損耗建立起大尺度量子網絡。另一種遠程量子通信的解決方案是量子U盤，即把光子存儲到超長壽命量子存儲器（量子U盤）中，然後通過直接運輸量子U盤來傳輸量子信息。考慮到飛機和高鐵等的速度，量子U盤的光存儲時間需要達到小時量級。

李傳鋒、周宗權研究組長期致力於基於稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲實驗研究。近期課題組結合理論預言首次實驗測定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場下的完整能級結構。在此基礎上，研究組結合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案以及ZEFOZ技術，成功實現了光信號的長壽命存儲。實驗中光信號首先被AFC吸收成爲銪離子系綜的光學激發，接着被轉移爲自旋激發，經歷一系列自旋保護脈衝操作後，最終被讀取爲光信號，總存儲時間長達1小時。通過加載相位編碼，實驗證實在經歷了1個小時存儲後，光的相位存儲保真度高達96.4 ± 2.5%。這些結果表明該裝置具有極強的相干光存儲能力以及用於量子態存儲的潛力。

該工作將光存儲時間從分鐘量級推進至小時量級，滿足了量子U盤對光存儲壽命指標的基本需求。接下來通過優化存儲效率及信噪比，有望實現量子U盤，從而可以基於經典運輸工具實現量子信息的傳輸，建立一種全新的量子信道。近期的理論研究表明，量子U盤在全球衛星量子通信、甚長基線干涉天文測量系統等領域均具有廣泛應用。

該工作得到審稿人的高度評價：“該成果是一個巨大的成就（a huge achievement）。”

存儲方案示意圖，信號光場（probe）被梳狀的原子吸收譜吸收，並被控制光場（control）存儲爲自旋激發，在射頻（RF）場的操控下延長存儲時間，最終讀取爲光信號。

讀出光脈衝信號強度與存儲時間的關係

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74648.htm

論文鏈接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.413114

非互易領域新方向實現50dB的無噪聲全光隔離

郭光燦院士團隊在原子系綜中實現了51.5dB的非互易隔離，是目前無磁非互易領域中的最高隔離比，並且首次探討了非互易器件中量子噪聲問題，證明了該新的全光非互易效應不會引入額外的量子噪聲。該成果發表在《自然•通訊》上。

該研究組利用圓偏泵浦光將氣室中的原子極化到一個特定的磁自旋態上，對不同偏振的光產生不同的吸收和色散，實現了約30dB的隔離比。在此基礎上，研究組加入了一個行波腔，大幅增強了光與原子之間的相互作用，最終將隔離比提高到了51.5dB，成功地製備出了基於原子系綜的非互易介質。這套系統有較好的魯棒性，對於外界弱磁場的干擾、泵浦光頻率和功率的浮動等均不敏感，具有實際應用的價值。

此外，該研究組首次在非互易領域中提出並回答了非互易器件本身是否會產生噪聲光子的問題。他們通過測量相干光和僞熱光通過該系統前後的二階相干函數的改變，證明該系統並不會產生額外的量子噪聲。該成果在非互易領域開闢出了一個新的方向，並在實際應用中具有重要意義。

實驗裝置圖以及非互易效果圖

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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/74848.htm

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22597-z

內容來源：中國科學技術大學

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